الطاقة في التفاعلات الكيميائية

الطاقة في التفاعلات الكيميائية

ترافق عادةً التفاعل الكيميائي تغيّرات في الطاقة. يحدث قسم من التفاعلات الكيميائية من خلال استيعاب طاقة من البيئة، وقسم منها من خلال إطلاق طاقة إلى البيئة. التفاعلات التي تُطلق طاقة (الإكسوثرمية-  المشعة ا للحرارة)- هي تفاعلات تنطلق فيها طاقة، كتفاعل الاحتراق؛ التفاعلات التي تستوعب طاقة (الإندوثرمية- الماصّة للحرارة)- هي تفاعلات تُستوعب فيها طاقة، كعملية التركيب الضوئي. بشكل عامّ، التفاعل الكيميائي منوط بتكوين أربطة كيميائية وبتفكيك أربطة كيميائية بحيث يحدث خلال التفاعل استيعاب للطاقة وكذلك إطلاق للطاقة. إذا انطلقت في العملية الكلّية كمّية أكبر من الطاقة التي استوعبت- يكون التفاعل إكسوثرميًا، وإذا استوعبت في العملية الكلّية كمّية أكبر من الطاقة التي انطلقت- يكون التفاعل إندوثرميًا. التغيّرات في درجة حرارة البيئة يمكنها أن تدلّ على نوع التفاعل. عندما ترتفع درجة حرارة البيئة، يمكن الاستنتاج أنّ التفاعل كان إكسوثرميًا، وعندما تنخفض درجة حرارة البيئة، يمكن الاستنتاج أنّ التفاعل كان إندوثرميًا.      

فيما يلي أمثلة لتفاعلات كيميائية ممثّلة ولطريقة صياغتها (الأحرف (A-D) اعتباطية وكذلك رموز الصيغ). يمكن تمثيل التفاعل الكيميائي بواسطة معادلة تفاعل كلّية تشمل الصيغ الملائمة. نكتب في الجهة اليسرى صيغ المادّة (الموادّ) المتفاعلة، وفي الجهة اليمنى نكتب صيغ الناتج (النواتج)، وبينهما سهم من "الموادّ المتفاعلة" إلى "النواتج".   

1. تركّب عدّة عناصر لإنتاج مركَّب A + B              AB 2. تحليل مركَّب إلى عناصره AB        A  +  B 3. تحليل مركَّب إلى مركَّبات أبسط ABC        AB  +  C 4. تفاعل مركَّب مع عنصر للحصول على نواتج جديدة- دمج بين التحليل والتركّب AC + B        AB + CB 5. تفاعل مركَّب مع مركَّب آخر للحصول على مركَّبات جديدة- دمج بين التحليل والتركّب AC + BD        AB + CD

 

انتبهوا: في الحالة التي فيها B  يمثّل الأوكسجين الذي في الهواء: المعادلة 1 تمثّل عمليًا تفاعل احتراق للعنصر (مثلاً عملية حرق المغنيسيوم)؛ والمعادلة 4 تمثّل احتراق مركَّب (مثلاً عملية احتراق هيدروكربون). بصورة مشابهة، تتطرّق الأمثلة التالية إلى عدّة تفاعلات كيميائية تشكّل حالة خاصّة للتمثيلات العامّة التي تظهر في الإطار الرمادي أعلاه. 

1. تركّب: تفاعل عنصرين لافلزّين للحصول على مركَّب:

·         صياغة تفاعل تركّب غاز الهيدروجين وغاز الكلور (عنصران جزيئيان) للحصول على حامض كلوريد الهيدروجين (مركَّب جزيئي):

H_2(g) +  Cl_2(g)                2HCl_(g)

2. تركّب: تفاعل فلزّ مع الأوكسجين للحصول على أكسيد (يسمّى أيضًا تفاعل الاشتعال/ الاحتراق):

·         صياغة تفاعل اشتعال (احتراق) المغنيسيوم- أي تركّب العنصر الفلزّي مغنيسيوم مع العنصر الجزيئي أوكسجين لإنتاج المركَّب الأيوني أكسيد المغنيسيوم. تفاعل الاحتراق هو دائمًا مشع للحرارة  إكسوثرمي.

2Mg_(s) +   O_2(g)                2MgO_(s)

3. تحليل: تفاعل تحليل مركَّب إلى عناصره:

·         تفاعل تحليل المركَّب الأيوني كلوريد النحاس إلى عنصريه- العنصر الفلزّي نحاس وعنصر الكلور:

CuCl_2(S)                Cu_(s) +  Cl_2(g)

·         تفاعل تحليل مركَّب الماء إلى عنصريه- الهيدروجين والأوكسجين:

2H₂O_(l)                2H_2(g) +  O_2(g)

4. تفاعل يدمج التحليل والتركّب:

تفاعل مركَّب مع الأوكسجين للحصول على مركَّبين- ثاني أكسيد الكربون والماء (يسمّى أيضًا تفاعل اشتعال/ احتراق):

·         صياغة تفاعل الاشتعال (الاحتراق) للهيدروكربون ميثان (من عائلة مركَّبات الكربون) لإنتاج ثاني أكسيد الكربون وماء. يتحلّل الميثان في تفاعل الاحتراق ويتركّب. تفاعل الاحتراق هو دائمًا إكسوثرمي.

CH_4(g) +   2O_2(g)                  CO_2(g)  +  2H₂O_(l) 

5. تفاعل حامض- قاعدة (سنتناول الحوامض والقواعد والتفاعلات بينها- في القسم التالي) كمثال لتفاعل بين مركَّبين.

·         تفاعل بين محلول حامض كلوريد الهيدروجين (HCl) مع محلول هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) لإنتاج ملح وماء.

في هذه الحالة، التفاعل الصافي الذي يحدث هو تفاعل معايرة بين أيون الهيدرونيوم (H₃O⁺) وأيون الهيدروكسيد (OH^-) للحصول على الماء:

H₃O⁺_(aq) +   OH^-_(aq)               2H₂O_(l) 

ملاحظات عامّة:

1.      حالات المادّة الواردة في معادلات التفاعلات الكيميائية أعلاه هي للموادّ في درجة حرارة الغرفة.

2.      لا يُطلب من الطلاّب صياغة معادلة تفاعل كيميائي بأنفسهم أو موازنتها؛ لكن إذا طُرح سؤال أو إذا كان التدريس في صفّ متقدّم، من الممكن التحدّث عن معادلة موازنة للتفاعل- من ناحية دلالة المعاملات. تعبّر المعاملات عن النسبة بين كمّيات الجسيمات من كلّ نوع ولا تعبّر عن كمّية الجسيمات نفسها.

3.      من المهمّ التشديد على أنّ قانون حفظ الكتلة، في المستوى الميكروسكوبي، ينعكس في موازنة معادلة التفاعل. أي عندما نوازن معادلة التفاعل الكيميائي، يجب التأكّد أنّ عدد الذرّات من كلّ نوع في جهة الموادّ المتفاعلة مساوٍ لعددها في جهة النواتج. الذرّات لا تختفي ولا تنتج من فراغ. من المفهوم ضمنًا أنّه عندما تكون المنظومة مفتوحة أو تمّ استيعاب كتلة لم تقاس من قبل- لا يمكن في مستوى الماكرو التحدّث عن حفظ الكتلة الكلّية.

4.      في صياغة التفاعلات الكيميائية ليس من المعتاد إضافة "طاقة" كناتج أو كموادّ متفاعلة، بخلاف صياغة التفاعلات المقبولة في البيولوجيا مثلاً (على سبيل المثال التنفّس والتركيب الضوئي). من المعتاد في الكيمياء الإشارة إلى الطاقة (في التفاعل الإندوثرمي) أو الماء (في تفاعل التميّؤ) فوق السهم الذي بين الموادّ المتفاعلة والنواتج.

5.      في أغلب الأحيان عملية الاشتعال السريع التي ترافقها لهبة أو انطلاق ضوء تسمّى أيضًا عملية احتراق. عملية الاشتعال التي لا ترافقها لهبة، كالحديد الذي يصدأ (الناتج: أكسيد الحديد)، هي عملية أكسدة بطيئة. جميع عمليات الاشتعال (السريعة والبطيئة) هي إكسوثرمية، أي يرافقها إشعاع حراري  .  

6.      سرعة التفاعل: تتعلّق وتيرة التفاعل الكيميائي بعدّة عوامل، منها مساحة السطح الخارجي للموادّ المتفاعلة. على سبيل المثال، اشتعال قطعة خشبية (تفاعل الخشب مع الأوكسجين) يكون أبطأ من اشتعال نشارة الخشب، لأنّ مساحة السطح الخارجي لنشارة الخشب أكبر بحيث يكون تلامس (توافر) المادّة المشتعلة مع الأوكسجين أكبر- ونتيجة لذلك، يحدث التفاعل أسرع. كما يحدث عند حرق مسحوق الحديد (أو الصوف الفولاذي)، يكون هذا الاحتراق أسرع من احتراق القضيب الحديدي. ننوّه أنّ سرعة التفاعل لا تتعلّق مباشرةً بكمّية الطاقة التي تنطلق في التفاعل.  

فحص التفاعل الكيميائي حسب مستويات الفهم في الكيمياء

تطرّقنا في مقدّمة الخلفية العلمية في الموضوع الفرعي الأوّل (صفحة 9) إلى ثلاثة مستويات فهم في الكيمياء- الماكرو والميكرو والرموز (لغة الكيمياء)، عندما نفحص موادّ لا تمرّ بعمليات تغيّر. سنتطرّق في هذا الموضوع الفرعي إلى مستويات الفهم المختلفة في الكيمياء، عندما يحدث تغيّر في المادّة.

على سبيل المثال: في عملية التحليل الكهربائي (الإلكتروليزا) لكلوريد النحاس يتحلّل المركَّب الأيوني إلى عناصره. يمكن وصف هذه العملية في ثلاثة مستويات فهم- الماكرو والميكرو والرموز بلغة الكيمياء، كما هو موصوف أدناه.

فيما يلي تطرّق إلى العملية الكلّية وإلى هذه العملية في عدّة مستويات فهم:

المستوى الماكروسكوبي (مستوى الظاهرة)

يمكن أثناء التفاعل الكيميائي بواسطة المشاهدة متابعة التغيّرات القابلة للقياس التي تحدث في العملية، كتغيّرات درجة الحرارة واللون وانطلاق الغاز "واختفاء" إحدى الموادّ المتفاعلة وتكوّن الناتج/ النواتج ووتيرة التفاعل وغير ذلك.

في عملية التحليل الكهربائي لمحلول كلوريد النحاس: في أعقاب تمرير تيّار كهربائي عبر المحلول المائي لكلوريد النحاس، يمكن رؤية تكوّن مادّة صلبة حمراء على إحدى الإلكترودتين، وبالقرب من الإلكترودة الثانية فقاعات غاز ذات رائحة شديدة. تمرير التيّار الكهربائي ينعكس من خلال لامبة تضيء أو أميتر يبيّن تيّارًا. تدلّ هذه الظواهر على وجود تيّار كهربائي (الدائرة الكهربائية مغلقة). تصف هذه المشاهدات العملية في المستوى الماكروسكوبي.

المستوى الميكروسكوبي (مستوى الجزيئات)

يمكن تفسير قسم من المشاهدات في مستوى التغيّرات التي طرأت على مبنى وتركيبة الذرّات أو الأيونات أو الجزيئات. يمكن على سبيل المثال، التطرّق إلى تفكيك أو تكوين أربطة أو إلى انتقالات إلكترونات. في عملية التحليل الكهربائي لمحلول كلوريد النحاس المركَّب من أيونات نحاس وأيونات كلور: في تفاعل تحليل كلوريد النحاس إلى عنصريه، تتحوّل الأيونات الموجبة للنحاس إلى ذرّات، بعد أن أضيفت إليها إلكترونات من الإلكترودة السالبة. ذرّات النحاس ترتبط وتكوّن العنصر الفلزّي نحاس (يمكن رؤية تكوّن مادّة صلبة حمراء تميّز النحاس على سطح الإلكترودة) وأيونات الكلور السالبة تفقد إلكترونات التي تنتقل إلى الإلكترودة الموجبة، وتتحوّل إلى جزيئات ثنائية الذرّات للعنصر كلور (يمكن رؤية فقاعات غاز بالقرب من الإلكترودة وملاحظة رائحة شديدة تميّز الكلور). التوصيل الكهربائي في هذه المنظومة قائم لأنّ الأيونات تتحرّك في المحلول باتّجاه الإلكترودتين (حسب الشحنات الكهربائية) وتتحرّك الإلكترونات في الأسلاك المعدنية باتّجاه معيّن، بحيث تُغلق الدائرة الكهربائية. (ملاحظة: مستوى الحديث هذا معدّ للمعلّم فقط).

مستوى الرموز (التمثيل)

بشكل عامّ، مستوى الفهم هذا يشمل جميع التمثيلات الشكلية التي تتضمّنها لغة الكيمياء؛ فيما يلي التمثيلات الأساسية التي يستخدمها العاملون في الكيمياء:

·         رموز الذرّات الوحيدة- تظهر الرموز في الترتيب الدوري. يمثّل كلّ رمز، عمليًا، ذرّة لأحد العناصر. على سبيل المثال، يُرمَز إلى ذرّة الأوكسجين بالحرف O وإلى ذرّة الصوديوم بالحرفين Na.

·         رموز العناصر والمركَّبات- الصيغ التي تمثّل العناصر والمركَّبات؛ على سبيل المثال، الصيغةO₃  تمثّل الأوزون، الذي هو شكل لعنصر الأوكسجين، والصيغة- NaCl  تمثّل مركَّب كلوريد الصوديوم.

·         رموز صياغة العمليات (التفاعلات)- تمثيل المادّة/ الموادّ المتفاعلة في الجهة اليسرى وتشمل كتابة صيغة/ صيغ العنصر/ العناصر وَ/أو المركَّب/ المركَّبات وبينها الإشارة + والناتج/ النواتج تُكتب بنفس الطريقة في الجهة اليمنى- وبين الموادّ المتفاعلة والنواتج نكتب سهمًا من اليسار إلى اليمين. صياغة العملية بأكملها تسمّى معادلة تفاعل كيميائية معادلة كيميائية.أونص تفاعل كيميائي

تيّار كهربائي

النواتج                     الموادّ المتفاعلة

على سبيل المثال، التفاعل الكيميائي- التحليل الكهربائي لمحلول كلوريد النحاس- يُصاغ بلغة الكيمياء على النحو التالي:

Cu²⁺_(aq) + 2Cl^- _(aq)                Cu_(s) +  Cl_2(g)

يجب التشديد على أنّه من أجل إجراء تحليل كهربائي لمركَّب أيوني، هناك حاجة لمزوّد طاقة أو لبطارية. التوصيل الكهربائي (حركة باتّجاه معيّن للشحنات الكهربائية المتحرّكة) للمنظومة بأكملها والتي تشمل: أسلاك نحاس وإلكترودتين ومحول كلوريد النحاس، يمكن وصفها بمستويين: ماكرو وميكرو، كما هو موصوف أعلاه. هذه العملية هي عملية تستوعب طاقة (إندوثرمرية- ماصة للحرارة)، ولا يمكن أن تحدث بدون بذل الطاقة الكهربائية التي تتحوّل إلى طاقة كيميائية.